(57)【要約】【課題】  消費電力増やコスト増等の問題を伴うことなく、壁面反射によるＳ／Ｎ低下を改善でき、流れ方向では安定した受信音波が確保された超音波流量計を提供する。【解決手段】  ガスの流通方向と垂直な断面が矩形状の流通管１０を備え、その断面の短辺１０ｒにあたる位置の上流側と下流側とにセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂが流路１に開口する形で設けられている。センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂには、超音波の送受信面２ａｐ，２ｂｐの全部が流路１から少なくとも距離Ｈだけ離れたところに位置するように超音波センサ２ａ，２ｂが取り付けられている。超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐの略中心を垂直に貫く基準軸線ＯＨを定義したとき、センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂの内周面１０ａｐ，１０ｂｐから基準軸線ＯＨまでの距離Ｄｈが、超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐから流路１に至るまでの間、次第に大きくなっていることを特徴とする【選択図】  図１
2006017639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量が計測される流体の流通方向と垂直な断面が矩形状の流通管を備え、その断面の短辺にあたる位置の上流側と下流側とに筒状のセンサ取り付け部が流路に開口する形で設けられ、前記センサ取り付け部には超音波の送信面または受信面（送受信面という）の全部が前記流路から少なくとも距離Ｈだけ離れたところに位置するように超音波センサが取り付けられており、その超音波センサの前記送受信面の略中心を垂直に貫く基準軸線を定義したとき、前記センサ取り付け部の内周面から前記基準軸線までの距離が、前記送受信面から前記流路に至るまでの間、次第に大きくなっていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
流量が計測される流体の流通方向と垂直な断面が矩形状の流通管を備え、その断面の短辺にあたる位置の上流側と下流側とに筒状のセンサ取り付け部が流路に開口する形で設けられ、前記センサ取り付け部には前記流体の流通方向に対して超音波の送信面または受信面（送受信面という）が傾いた姿勢で前記超音波センサが取り付けられており、その超音波センサの前記送受信面の略中心を垂直に貫く基準軸線を定義したとき、前記センサ取り付け部の内周面から前記基準軸線までの距離が、前記送受信面から前記流路に至るまでの間、次第に大きくなっていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
前記流体の流通方向に平行かつ前記基準軸線を含む断面において、前記センサ取り付け部の内周面が曲線を呈している請求項１または２記載の超音波流量計。
【請求項４】
流量が計測される流体の流通方向と垂直な断面が矩形状の流通管を備え、その断面の短辺にあたる位置の上流側と下流側とに筒状のセンサ取り付け部が流路に開口する形で設けられ、前記センサ取り付け部には超音波の送信面または受信面（送受信面という）の全部が前記流路から少なくとも距離Ｈだけ離れたところに位置するように超音波センサが取り付けられており、前記送受信面から前記流路に至るまでの間、前記センサ取り付け部が前記流路に向かうにつれて次第に拡径していることを特徴とする超音波流量計。
【請求項５】
前記流通管と前記センサ取り付け部との接続位置において、前記流通管の前記断面の短辺寸法Ｗよりも、前記センサ取り付け部の幅Ｄ３の方が大である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記センサ取り付け部は、エクスポネンシャル型のホーン形状を有するものである請求項１ないし５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項７】
予め設定した閾値電圧を超える、または下回る波形部分をトリガ波とし、このトリガ波の振幅がゼロとなるゼロクロス点を検出することに基づいて超音波の伝搬時間を求める一方、低流量時には高流量時よりも後段の前記ゼロクロス点を使用するように構成された流量計測部を備える請求項１ないし６のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する装置として、超音波流量計がある。超音波流量計において、流体が流通する流通管の側壁での超音波の反射が、しばしばＳ／Ｎ低下の原因、すなわち計測精度にとって障害となることが知られている。こうした問題に対応するため、従来から、異なる特性の複数の圧電素子を積層した構造を持つ超音波センサや、異なる特性の圧電素子をアレー状に配列させた構造を持つ超音波センサを採用することが行なわれている。
【特許文献１】特開２０００−３４６６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、都市ガス用途等の超音波流量計においては、流通管の外側に超音波センサを取り付ける、いわゆるクランプオン式を採用することが技術的に難しく、超音波センサを被計測流体（ガス）の通路に直接露出させる構造を採用する。そのため、超音波センサに割けるスペースや配置に制約があり、複数の圧電素子を持つような超音波センサを採用しづらい。また、圧電素子を複数持つ超音波センサを採用すると、制御や補正が複雑化するし、コスト高となる問題もある。制御や補正の複雑化は、計測精度向上の妨げになる。また、制御の複雑化は消費電力増を招くので、電池駆動が要求される超音波流量計にとって好ましくない。
【０００４】
本発明の課題は、消費電力増やコスト増等の問題を伴うことなく、壁面反射によるＳ／Ｎ低下を改善でき、流れ方向では安定した受信音波が確保された超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００５】
上記課題を解決するために本発明の超音波流量計の第一は、流量が計測される流体の流通方向と垂直な断面が矩形状の流通管を備え、その断面の短辺にあたる位置の上流側と下流側とに筒状のセンサ取り付け部が流路に開口する形で設けられ、センサ取り付け部には超音波の送信面または受信面（送受信面という）の全部が流路から少なくとも距離Ｈだけ離れたところに位置するように超音波センサが取り付けられており、その超音波センサの送受信面の略中心を垂直に貫く基準軸線を定義したとき、センサ取り付け部の内周面から基準軸線までの距離が、送受信面から流路に至るまでの間、次第に大きくなっていることを主要な特徴とする。
【０００６】
同じく課題を解決するために本発明の超音波流量計の第二は、流量が計測される流体の流通方向と垂直な断面が矩形状の流通管を備え、その断面の短辺にあたる位置の上流側と下流側とに筒状のセンサ取り付け部が流路に開口する形で設けられ、センサ取り付け部には流体の流通方向に対して超音波の送信面または受信面（送受信面という）が傾いた姿勢で超音波センサが取り付けられており、その超音波センサの送受信面の略中心を垂直に貫く基準軸線を定義したとき、センサ取り付け部の内周面から基準軸線までの距離が、送受信面から流路に至るまでの間、次第に大きくなっていることを特徴とする。
【０００７】
同じく課題を解決するために本発明の超音波流量計の第三は、流量が計測される流体の流通方向と垂直な断面が矩形状の流通管を備え、その断面の短辺にあたる位置の上流側と下流側とに筒状のセンサ取り付け部が流路に開口する形で設けられ、センサ取り付け部には超音波の送信面または受信面（送受信面という）の全部が流路から少なくとも距離Ｈだけ離れたところに位置するように超音波センサが取り付けられており、送受信面から流路に至るまでの間、センサ取り付け部が流路に向かうにつれて次第に拡径していることを主要な特徴とする。
【０００８】
上記した本発明によれば、壁面反射の影響があっても、超音波センサと流路までの近距離音場の調整により、擬似的な開放空間により近い挙動を実現可能になる。具体低には、超音波センサを流路から適切量オフセットさせるとともに、センサ取り付け部の形も、流路側に進むにつれて徐々に広口となるようにする。こうした構成を採用すると、断面が矩形状の流通管の短辺方向寸法（要するに幅）を狭めても、開放空間の挙動が確保されるので安定な計測が実現でき、流通管自体の寸法を小さく抑えることが可能となり、装置全体を小型化できる。しかも本発明によれば、構造的な工夫により擬似的な開放空間に近い挙動を得ようとするものだから、制御の複雑化、ひいては消費電力増を招くことがない。したがって、電池駆動式の超音波流量計に特に好適である。また、本発明の構成によれば、流路幅の狭い方向（流通管の短辺方向）での指向性利得を低下できる。とによって、流通管の側璧方向への音のエネルギーを低減できる。つまり、側壁方向への不要ノイズを低減し、Ｓ／Ｎ向上に一役買う。この場合、検出再現性の向上も期待でき、微小流量時の高精度な流量検出を行なえるようになる。
【０００９】
また、上記第一発明、第二発明に関していうと、流体の流通方向に平行かつ基準軸線を含む断面において、センサ取り付け部の内周面が曲線を呈していることが好適である。このような構成によれば、超音波の指向性の制御が容易である。
【００１０】
ところで、大流量が計測可能な超音波流量計を考えた場合、流通管の断面積を大きくする必要がある。流通管の断面積を大きくすると、圧力損失を生じさせずに流体を流すことが可能になるからである。しかしながら、流通管の断面積を大きくしたことにより、平均流速、単位断面積あたりの平均流量が小さくなる。このような構成の超音波流量計においては、低流速、小流量時の計測精度を確保することが難しい。それを補うために、超音波センサ間の距離を長くすることが考えられる。超音波センサ間の距離を長くすると、超音波が流体の流れによる流速、流量にさらされる時間が長くなるので、小流量時の計測精度を確保しやすいからである。
【００１１】
したがって、流通管とセンサ取り付け部との接続位置において、流通管の断面の短辺寸法Ｗよりも、センサ取り付け部の幅Ｄ３の方が大となるように、流通管およびセンサ取り付け部の寸法調整を行なうことができる。このような構成によれば、流通管の幅（短辺方向長さ）を小さく抑えることが可能であり、超音波センサ間の距離を長く取るのに有利である。
【００１２】
予め設定した閾値電圧を超える、または下回る波形部分をトリガ波とし、このトリガ波の振幅がゼロとなるゼロクロス点を検出することに基づいて超音波の伝搬時間を求める一方、低流量時には高流量時よりも後段のゼロクロス点を使用するように構成された流量計測部をさらに設けることができる。高流量時と低流量時とで比較すると、低流量時の方が反射波の影響をより強く受けやすい。したがって、流速（流量）が予め定めた値以上の場合と、そうでない場合とで、使用するゼロクロス点を変化させれば、より高精度な検出が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計１００の基本構成を示す。流通管１０には、流路１が形成されている。流路１には、ガスが流れ方向軸線Ｏに沿って図示の流れ方向に流通（平均流速Ｖ）する。流通管１０の上流側と下流側には、流通管１０に連通する一対のセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂが形成されている。センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂには、超音波センサ２ａ，２ｂが個別に取り付けられている。超音波センサ２ａ，２ｂは、センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂによって形成された近距離音場ＦＥを介して、流路１を流れるガスと直接接する配置となっている。
【００１４】
図１の実施形態では、超音波センサ２ａと超音波センサ２ｂとは、流路１を隔てて反対側に位置しているが、図４の模式図に示すごとく、同じ側に位置する形態もある。図４の形態のように、超音波センサ２ａ，２ｂをＶ字型の配置とすれば、流通管の幅が同じであれば伝播長を２倍に稼げるというメリットがある。逆に言えば、伝搬長が同じでも流通管の幅を広くできる。すると、流通管の側壁での超音波の反射を抑制できるため、Ｓ／Ｎ向上に有利である。
【００１５】
図１から分かるように、流通管１０は、超音波センサ２ａ−超音波センサ２ｂ間において流れ方向軸線Ｏが直線状であり、軸断面の形状および断面積が流れ方向において同一に形成されている。本実施形態において流通管１０は、流れ方向軸Ｏと垂直な断面が矩形状としている。別角度からみた図３に示すごとく、流通管１０の断面のうち、超音波センサ２ａ，２ｂの位置する辺が短辺１０ｒ，１０ｒとなっている。短辺１０ｒと平行な方向は、短辺方向ＷＬ（幅方向ＷＬともいう）とされる。なお、流通管１０の断面形状を正方形とすることも可能であるが、超音波センサ２ａ，２ｂ間の距離を稼ぐという観点において、短辺と長辺を有する矩形であることが好適である。
【００１６】
超音波センサ２ａ，２ｂは、圧電素子や音響整合層等で構成されたトランスデューサであり、これら超音波センサ２ａ，２ｂを発振させるための駆動電圧回路等から構成される送信手段２２、あるいは超音波センサ２ａ，２ｂの発生電圧を検出するための電圧検出回路等から構成される受信手段３２に接続される。超音波センサ２ａ，２ｂの接続先の切り替えは、アナログスイッチ等で構成される切替手段３によって行なわれる。切替手段３は、マイクロコンピュータ９によって制御される。たとえば、流れ方向上流側（超音波センサ２ａ側）から流れ方向下流側（超音波センサ２ｂ側）に向けて超音波を送信する場合には、超音波センサ２ａが送信側（発振元）となるので、切替手段３は、始め、送信手段２２と超音波センサ２ａとを接続し、受信手段３２と超音波センサ２ｂとを接続することとなる。
【００１７】
超音波流量計１００は、流量計測部として、超音波センサ２ａ，２ｂにより得られる超音波受信出力を増幅する増幅器４と、ゼロクロス法により出力波形から超音波到達時点を検出するゼロクロスポイント検出部６と、マイクロコンピュータ９とを備える。受信波が増幅器４で増幅され、ゼロクロスポイント検出部６に入力される。ゼロクロスポイント検出部６は、超音波センサ２ａ，２ｂの一方で発振された超音波が、他方で受信されたか否か検出する。ゼロクロスポイント検出部６は、受信波を検出した旨の信号をマイクロコンピュータ９に入力する。時間計測手段としてのマイクロコンピュータ９は、ゼロクロスポイント検出部６から信号取得に基づいて、超音波センサ２ａ，２ｂの一方が超音波を発振してから、他方がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測し、該計測結果より流量演算を行なう。
【００１８】
ゼロクロス法は、差動型コンパレータ２２（図２参照）に入力設定されたしきい値ＶＴＨを超える（又は下回る）波形部分をトリガ波とし、このトリガ波の振幅（又は位相）がゼロとなるゼロクロス点を、増幅信号Ｖａ（又はその派生信号）の波形上でゼロクロスポイントパルス発生回路２４により検出する方法である。
【００１９】
図２のブロック図に示すごとく、超音波センサ２ａ、２ｂによる超音波受信出力は、増幅器４（たとえばオペアンプ）で電圧増幅（たとえば非反転増幅）され、増幅信号Ｖａがゼロクロスポイント検出部６に入力される。ゼロクロスポイント検出部６において、増幅信号Ｖａはゼロクロス型コンパレータ２１（第一コンパレータ）に入力（例えば非反転入力）され、差動型コンパレータ２２（第二コンパレータ）に入力（例えば反転入力）される。コンパレータ出力Ｖｂ，Ｖｃは、ＲＳフリップフロップ回路２３のポート＃Ｓ，＃Ｒへ各々入力される。ＲＳフリップフロップ回路２３のポート＃Ｑ出力Ｖｄにより、単安定マルチバイブレータ等で構成されるゼロクロスポイントパルス発生回路２４が出力波形Ｖａにおける超音波到達時点を検出し、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅを時間計測手段たるマイクロコンピュータ９に向けて出力する。マイクロコンピュータ９は、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅの入力によって、超音波の伝搬時間を知る。
【００２０】
超音波流量計１００は、伝搬時間逆数差法により流量を計測する装置として構成されている。図１において、ガスの平均流速をＶ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の進行方向（超音波センサ２ａ，２ｂを結ぶライン）とガスの流れ方向（流れ方向軸線Ｏ）とのなす角をθ、超音波センサ２ａ−超音波センサ２ｂ間の距離をＬとすると、超音波が距離Ｌだけ伝搬するときの順方向到達時間Ｔｄおよび逆方向到達時間Ｔｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｄ＝Ｌ／（ｃ＋Ｖ・ｃｏｓθ）…（１）
Ｔｕ＝Ｌ／（ｃ−Ｖ・ｃｏｓθ）…（２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｄ−１／Ｔｕ＝２Ｖ・ｃｏｓθ／Ｌ…（３）
したがって、順方向到達時間Ｔｄと逆方向到達時間Ｔｕの測定から、ガスの平均流速Ｖと流量Ｑが次式により求められる。“Ａ”は流路１の断面積である。
Ｖ＝（１／２Ｔｄ−１／２Ｔｕ）Ｌ／ｃｏｓθ…（４）
Ｑ＝Ｖ・Ａ…（５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（到達時間Ｔｄ，Ｔｕ）と一定値（Ｌ，θ）とから流速Ｖが得られる利点を有している。
【００２１】
図１に示すごとく、超音波流量計１のセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂは、流通管１０と同一素材、たとえばステンレス鋼やアルミニウム合金からなる筒状部材で構成されており、溶接等により流通管１０と一体に設けられている。そして、流路１にセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂが開口する形となっている。図５は、図１の超音波流量計１００について、ガスの流通方向に平行であって尚且つ超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐの略中心を垂直に貫く基準軸線ＯＨを含む断面を模式的に表わしたものである。図５（ａ）が全体図、図５（ｂ）が拡大図である。
【００２２】
図５（ａ）に示すごとく、超音波センサ２ａ，２ｂは、超音波を送受信する面（以下、送受信面２ａｐ，２ｂｐという）の全部が流路１の上面または下面、つまり流通管１０の短辺１０ｒをなす面から少なくとも距離Ｈだけ離れたところに位置するようにセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂに取り付けられている。本実施形態では、ガスの流れ方向軸線Ｏに対して超音波の送受信面２ａｐ，２ｂｐが傾斜した取り付け姿勢を採用しているが、送受信面２ａｐ，２ｂｐの法線方向とガスの流れ方向軸線Ｏとが平行な形態も考え得る。
【００２３】
図１および図３から理解できるように、センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂは、基準軸線ＯＨに垂直な断面では円形を示し、流れ方向軸線Ｏと短辺方向ＷＬとの双方に平行な断面では楕円形を示す構造となっており、超音波センサ１０ａ，１０ｂ側から流通管１０側に向かうにつれて徐々に拡径している。つまり、図５（ｂ）の断面図に示すように、センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂの内周面１０ａｐ，１０ｂｐは滑らかな曲線を描いており、その内周面１０ａｐ，１０ｂｐから基準軸線ＯＨまでの距離Ｄｈが、超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐから流路１に至るまでのあいだ、連続的に増大している。
【００２４】
上記のごとく、流通管１０側に徐々に拡径したセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂと採用すると、ストレートな円筒形状のセンサ取り付け凹部を採用する場合に比べて、流通管１０の幅方向ＷＬ（短辺方向）への超音波ビームを絞ることができる。さらに、図５（ａ）等に示すごとく、流路１から適度に奥まったところに超音波センサ２ａ，２ｂを配置すること、つまり流路１から送受信面２ａｐ，２ｂｐまでの距離Ｈ（オフセット量Ｈともいう）を調整することで、超音波の指向性を制御し、幅方向ＷＬに一様な平面波を流路１内に伝搬させることが可能となる。
【００２５】
具体的に、センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂは、エクスポネンシャル型のホーン形状とすることが望ましい。図５（ｂ）で説明すると、エクスポネンシャル型のセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂの場合、図中の距離Ｄｈは、送受信面２ａｐ，２ｂｐからの距離ｘを使って、Ｄｈ＝ｅｘｐ（ａｘ）＋αで表わすことができる。“α”は、超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐが位置するところでの距離Ｄｈの初期値であり、“ａ”は設計に応じて変わる定数である。
【００２６】
図１３の模式図に示すごとく、径が同一のホーン（センサ取り付け凹部）であれば、ホーンが長い方（図１３では長さＨ１よりも長さＨ２が大）が超音波の広がりを抑制できるとともに、超音波を同位相の波面を持つ平面波により近づけることができる。すると、流通管１０の壁面での反射を低減できるうえ、音圧が集中するため減衰も小さくなる。エクスポネンシャル型のホーンの場合には、超音波を最も効率よく収束でき、上記の効果を最大限に得ることが可能となる。
【００２７】
また、図３に示すように、本実施形態では、流通管１０とセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂとの接続位置において、流通管１０の断面の幅Ｗ（短辺寸法）よりも、センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂの幅Ｄ３の方が大としている。超音波の伝搬距離Ｌをなるべく長くすることと、流量が少なくても比較的安定した流速が出るように断面を小さくすることを両立させるためには、図１や図３に示すようにセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂが流通管１０ｂの短辺方向に張り出すような形とすることが好適である。
【００２８】
なお、図５等に示す本実施形態では、超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐを含み基準軸線ＯＨと直交する断面が、円形を示すような筒状部材にてセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂを構成している。図９（ａ）に示すように、超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐの径をＤ１、センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂの内径をＤ２としたとき、Ｄ２／Ｄ１＝０．８〜１．５、また、図３に示したＤ３との関係では、Ｄ３／Ｄ２＝１．０〜２．５とすれば、指向性を制御しやすい構成となる。なお、Ｄ２＜Ｄ１を許容するのは、超音波センサ２ａ，２ｂの送受信面２ａｐ，２ｂｐの端のほうは、振動にあまり寄与しておらず、ある程度ならセンサ取り付け凹部に覆われていても良いという理由に基づく。
【００２９】
また、この他にも種々の形態を採用することができる。たとえば、図９（ｂ）に示すように、超音波センサの送受信面を含み基準軸線ＯＨと直交する断面が楕円形を示すような筒状部材で構成したセンサ取り付け凹部を採用することも可能である。図９（ｂ）の実施形態では、超音波センサの送受信面は図９（ａ）の場合と同様に円形としている。この形態においては、流通管１０の短辺方向ＷＬと楕円の長径方向とが一致するようにセンサ取り付け凹部を設けると、擬似的な開放空間の挙動を得やすくなるので好適である。楕円形のセンサ取り付け凹部は、長径をＤ４とし短径をＤ５とした場合、Ｄ４／Ｄ５＝１．５〜４．０とすることが適切である。このようにすれば、擬似的な開放空間の挙動を実現しつつもセンサ取り付け凹部の大きくなりすぎない。
【００３０】
他にも、基準軸線ＯＨと直交する断面が長方形ないし正方形を示すような筒状部材で構成したセンサ取り付け凹部を採用することも可能である。また、超音波センサに関していえば、送受信面が円形に限定されるわけではなく、たとえば図９（ｃ）に示すごとく楕円形を有するものや、長方形などの種々の形状を有するものを好適に採用できる。
【００３１】
また、センサ取り付け凹部には、図６に示すような形態を採用することができる。たとえば、図６（ａ）に示すように、円錐形状を有するセンサ取り付け凹部１０ｃを採用することもできる。この場合、センサ取り付け凹部１０ｃの内周面１０ｃｐは、断面において略直線を示す。また、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、オフセット量Ｈをゼロとし、流通管１０とセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂの接続位置に、超音波センサ２ａ，２ｂの端が一致する構成としてもよい。ただし、図６（ｂ）（ｃ）の構成であっても、センサ取り付け凹部１０ｄ，１０ｅの内周面１０ｄｐ，１０ｅｐは、直線的または曲線的に流路１に向かうにつれて拡がっていく形としている。
【００３２】
さて、図８に示すのは、図５（ａ）に記すオフセット量Ｈがゼロの配置と、１２ｍｍの配置とで超音波（２００ＫＨｚ）の指向性がどのように変化するのかを計算機シミュレーションによって調べた結果を示すグラフである。このシミュレーションでは、ストレートな円筒形状のセンサ取り付け凹部を条件とした。また、オフセット量Ｈがゼロとは、近距離音場ＦＥと流路１との境界に送受信面２ａｐ，２ｂｐが差し掛かるまで超音波センサ２ａ，２ｂを流路１寄りに配置した場合を意味する。
【００３３】
この結果からも明白であるように、オフセット量Ｈを適切に調整することにより、超音波ビームの指向性を鋭くできる。具体的には、オフセット量Ｈがゼロの場合には指向角（θＢ／２）が約１５°であるが、オフセット量Ｈが１２ｍｍの場合には指向角（θＢ／２）が約７°〜１２°まで変化した。このように、オフセット量Ｈを制御することにより、超音波の指向性を制御することができる。
【００３４】
次に、流通管１０の短辺寸法Ｗと超音波センサ２ａ，２ｂのオフセット量Ｈとを変化させたときのゼロクロス点の推移を実験的に調べた結果を、図７に示す。ゼロクロス検出の基準時間は、流通管１０の短辺寸法Ｗが６ｍｍの場合とした。また、検出ポイントは、第２ゼロクロスと第３ゼロクロスの両方について調べた。オフセット量Ｈは、０ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍ、１１．５ｍｍとした。また、超音波の周波数は２００ＫＨｚとした。
【００３５】
図７のグラフにおいては、ゼロクロス検出のズレ時間の変化が大きい場合には反射波の影響を強く受けていることを意味する。すなわち、図７のグラフから下記（１）（２）の情報を読み取ることができる。
（１）流通管の短辺寸法Ｗが６ｍｍ〜１１ｍｍ、オフセット量Ｈが６ｍｍ、９ｍｍ、１１．５ｍｍのときは、全体的にズレ時間の変化が小さい。流通管の短辺寸法Ｗが変化してもゼロクロス検出に大きな影響が出ないということは、擬似的な開放空間の挙動が実現されていることを意味する。
（２）流通管の短辺寸法Ｗを十分大きくした場合（たとえば１５ｍｍ以上）オフセット量Ｈに拠らず、比較的安定したゼロクロス検出を行なえる。
【００３６】
ここで、現実の製品では流通管１０の短辺寸法Ｗを広く取れないという実情を勘案すると、安定したゼロクロス検出を実現するためには、上記（１）の手法、すなわち本発明の構成を採用することが好適であることが分かる。
【００３７】
また、図１０のグラフは、流通管１０の短辺寸法Ｗを変化させたときに、流路内で１回反射した波が何処に重なるのかを計算機シミュレーションによって調べた結果を示すグラフである。計算機シミュレーションは、オフセット量Ｈがそれぞれ０ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍ、１１．５ｍｍの場合について行なった。超音波の周波数は２００ＫＨｚ、媒質は空気、温度２０℃とした。たとえば、オフセット量Ｈが０ｍｍのときには、短辺寸法８ｍｍ〜１０．５ｍｍで第１ゼロクロス（位相角０．８π〜１．４π）に、短辺寸法１２．０ｍｍ〜１４．０ｍｍで第２ゼロクロス（位相角１．８π〜２．４π）に、短辺寸法１５．０ｍｍ〜１７．０ｍｍで第３ゼロクロス（位相角２．８π〜３．４π）に反射波が重なっている様子を図１０のグラフから読み取ることができる。
【００３８】
一般に、計測する流体がガスのとき、短辺寸法Ｗを少なくとも６．０ｍｍ程度確保する必要がある。図１０のグラフにおいて、位相角Δθが０．８π、つまり直接到達波の第１ゼロクロスに影響が出始める短辺寸法Ｗは、オフセット量Ｈが大きくなるほど大きくなっている。オフセット量Ｈを適度に大きく取ることで、設計上許容される短辺寸法Ｗの範囲も広くなることが分かる。
【００３９】
また、同様の計算機シミュレーションを超音波の周波数を１６０ＫＨｚ、オフセット量Ｈを１２．０ｍｍとして行なった。他の条件は先のシミュレーションと同じである。結果を図１１のグラフに示す。このグラフより、最初に到来する受信音波の０〜０．８πのエリアに反射波が重畳し、これらがπ毎に加算されることが分かる。周波数を低周波数化し、オフセット量を大きくし、さらに検出ポイントである、ゼロクロスポイントを後方にするほど、反射波の影響を受けても擬似的開放空間と同様な挙動を示す流路幅方向に余裕が得られる。このことと計算機シミュレーションの結果より、流通管１０の短辺寸法Ｗを、Ｗ＝６ｍｍ〜９ｍｍ（好ましくは７ｍｍ〜８ｍｍ）に設定すれば、その近傍で流路長のバラつき、温度により部品寸法が変化した場合でも、微少流量時の検出に対して高精度を維持できる。
【００４０】
上記のように、使用する周波数が低い場合（たとえば１００ＫＨｚ〜２００ＫＨｚ）であっても、超音波センサ２ａ，２ｂのオフセット量Ｈを適切に設定し、検出するゼロクロスポイントを後方にするほど、反射波の影響を受けても擬似的開放空間と同様な挙動を得やすくなる。すなわち、流量に応じて検出するゼロクロスポイントを変化させることが望ましい。具体的には、図１１（ｂ）に示すごとく、大流量時は前方のゼロクロスポイント（第１または第２ゼロクロスポイント）を検出するようにし、低流量時は後方のゼロクロスポイント（第３、第４、第５または第６ゼロクロスポイント）を検出するようにする。
【００４１】
また、送信側の超音波センサから受信側の超音波センサに直接到達する超音波と、流通管１０の壁面による反射波の位相差Δθは下記（ｉ）式で表わされる。
Δθ＝２π＊（ｆ０＊ΔＬ）／Ｖ…（ｉ）  （ただし、ｆ０：超音波の周波数、Ｖ：流速）
【００４２】
位相差Δθは、周波数と伝搬長による行路差ΔＬに依存するため、超音波センサ２ａ，２ｂの特性バラツキや使用時の温度変化によってΔＬやＶが変化しても、それを補正するために駆動周波数ｆ０を約±４０ＫＨｚ程度の範囲内で変化させて微調整を行ない、これにより安定したゼロクロス検出を行なえるようにするとよい。駆動周波数を変化させる場合、超音波センサ２ａ，２ｂを構成する圧電素子には、機械的共振尖鋭度Ｑが比較的低いものを使用することが望ましい。具体的には、Ｑ＝４〜７の単一共振を有する圧電素子が好適である。
【００４３】
また、図４で少し触れた、超音波センサ２ａ，２ｂを流路１の同じ側に位置する形態について詳しく説明する。図４に示すごとく、超音波の伝搬経路がＶ字をなすように、超音波センサ２ａ，２ｂを配置する形態は、伝搬長を長く取れるということの他にも次のようなメリットがある。まず、図１に示すようなＺ型配置の場合、壁面（短辺）方向への反射は面反射となる。この反射波は直接到達波に遅れて受信側の超音波センサに到達し、ゼロクロス検出に大きな影響を及ぼす。他方、図１４に示すように、Ｖ型配置の場合には、壁面での超音波の反射はコーナでの線反射に近い形となる。この場合、反射波がゼロクロス検出に及ぼす影響は、面反射の場合に比べて著しく低下する。こうしたことから、反射波の影響を小さくしてＳ／Ｎ向上を図るには、Ｚ型配置よりもＶ型配置の方が有利であるといえる。
【００４４】
ただし、超音波の周波数を数１００ＫＨｚ（たとえば５００ＫＨｚ程度）に設定する場合、検出感度の問題から伝搬長Ｌを大きくしづらい。したがって、図４のようなＶ型配置は、計測する対象がガスのような気体であり、且つ使用する超音波の周波数が１００ＫＨｚ〜２００ＫＨｚ程度の低周波数の場合に最も好適な形態である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の超音波流量計の基本構成を示す説明図。
【図２】増幅器、ゼロクロスポイント検出部を備える流量計測部のブロック図。
【図３】流通管の断面斜視図。
【図４】超音波センサを流路の同一側に配置する形態を説明する模式図。
【図５】センサ取り付け凹部の形状と超音波センサの取り付け位置を説明する断面図。
【図６】センサ取り付け凹部の他の形態を説明する模式図。
【図７】流通管の短辺寸法Ｗとオフセット量とを変化させたときのゼロクロス点の推移（検出時間のズレ）を調べた実験の結果を示すグラフ。
【図８】超音波の指向性を計算機シミュレーションによって調べた結果を示すグラフ。
【図９】各部品の寸法関係を説明するための模式図。
【図１０】反射波がゼロクロスポイントの何処に重なるかを計算機シミュレーションにて調べた結果を示すグラフ。
【図１１】図１０に続くグラフ。
【図１２】ゼロクロス検出を説明する図。
【図１３】ホーンの長さに対する超音波の収束効果を説明する模式図。
【図１４】Ｖ型配置を採用したときの超音波の反射を説明する模式図。
【符号の説明】
【００４６】
１  流路
２ａ，２ｂ  超音波センサ
２ａｐ，２ｂｐ  送受信面
１０  流通管
１０ａ，１０ｂ  センサ取り付け凹部（センサ取り付け部）
１０ａｑ，１０ｂｑ  センサ取り付け凹部の内周面
１０ｒ  流通管の短辺
１００  超音波流量計
Ｏ  流れ方向軸線
ＯＨ  基準軸線
ＷＬ  流通管の短辺方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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